三維激光掃描與無人機攝影在異形建筑三維建模中的應用

摘? 要：當前，三維激光掃描是異形建筑中首選的三維建模測量方式。但在實際異形建筑三維建模過程中，三維激光掃描會受到視角等多方面的限制，存在模型缺失等問題。相較于三維激光掃描，無人機傾斜攝影技術模型完整性較強，但整體精度較差，為大幅提升異形建筑三維建模精度，文章將兩種測量建模技術相融合。以“鳥巢”為典型異形建筑樣例，通過數據采集與分析，對單獨建模和融合建模的精度展開研究，以期為異形建筑三維建模提供新方法、新思路。

關鍵詞：三維激光掃描；無人機傾斜攝影技術；異形建筑；三維建模

中圖分類號：P225.2；P237? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）19-0163-04

Application of 3D Laser Scanning and UAV Photography in 3D Modeling of Irregular Buildings

ZHANG Jinrui

（Baiyin Mineral Exploration Institute of Gansu Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau， Baiyin? 730900， China）

Abstract： At present， 3D laser scanning is the preferred 3D modeling and measurement method for irregular buildings. However， in the actual 3D modeling process of irregular buildings， 3D laser scanning is limited by various aspects such as perspective， and there are problems such as model missing. Compared to 3D laser scanning， UAV tilt photography technology has stronger model integrity， but overall accuracy is poor. To significantly improve the accuracy of 3D modeling of irregular buildings， this paper integrates the two measurement and modeling technologies. Taking the “Bird's Nest” as a typical example of irregular buildings， through data collection and analysis， the accuracy of individual and integrated modeling is studied， in order to provide new methods and ideas for 3D modeling of irregular buildings.

Keywords： 3D laser scanning; UAV tilt photography technology; irregular building; 3D modeling

0? 引? 言

伴隨著社會及科學技術快速發展，二維數據已無法滿足社會發展需求，三維建模憑借直觀、便捷、紋理清晰等優勢被逐漸應用在建筑建模構建中。三維激光掃描、無人機傾斜攝影技術是最為常用的異形建筑三維建模方法。在實際三維建模過程中，無人機傾斜攝影技術存在高效、低成本等優勢，但同時也存在建模精度不夠、內部建模、測量困難等缺陷。同樣，三維激光掃描在實際建模過程中存在精度高、可開展內部建模、測量等優勢，但亦存在建模完整性缺失等缺陷。將兩種技術優缺點對比發現，兩種技術存在“優勢互補”這一特點。基于此，為提升異形建筑三維建模精度，本文深入開展基于三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術對異形建筑三維建模的融合應用研究。

1? 三維激光掃描原理

三維激光掃描是基于激光測距原理，應用三維激光掃描儀器測量物體表面三維坐標的建模技術。其原理是：由三維激光掃描儀器的激光發射組間發出多道光束，借助光束經三維激光掃描儀器內部高精度計量裝置，記錄光束在出射點位、反射點位的往返時間（ΔT），并對縱向、橫向垂直掃描角度（α）進行計算，最終得到物體表面三維坐標[1]。一般來說，在三維激光掃描設備中存在一個坐標系統，以光束出射點為坐標系統的原點，以Z軸為縱向方向，X軸在水平面上與Z軸相垂直。在建模過程中，可以用下面的公式來計算被測量對象的P坐標[2]：

基于三維激光掃描技術還可獲得反射系數、傾斜距離、紋理等物理信息，從而實現目標的多點測量與掃描。獲取目標三維坐標、反射率、傾斜距離、紋理等空間信息，經數據處理軟件生成目標三維“點云”模型。在此基礎上，利用點云數據，可以進行變形監測、區域測量、地形測量、三維建模等[3]。

2? 無人機傾斜攝影技術原理

無人機傾斜攝影技術原理是指在同一飛行平臺中應用多臺傳感器，分別從垂直、傾斜等多個角度對建筑物影像進行采集，以此來獲得更為完整的建筑物物體表面信息。其中垂直角度獲取的影像為正片，傾斜角度獲取的影像為斜片。利用多角度采集建筑物表面信息，再配合影像POS信息等，促使影像上每一個點位均具有三維坐標，并依據影響數據針對任意點位展開測量，進而獲取并生成最終三維地理信息模型[4，5]。

3? 典型案例分析

3.1? “鳥巢”概況

本文選取“鳥巢”作為典型案例，“鳥巢”由鏤空鋁板、玻璃共同構成，建筑結構為巨大的門式剛架結構，是國內最具代表性的異形建筑，如圖1所示。

3.2? 兩種點云獲取

本文選用FARO Focus3D X330三維激光掃描儀，在10、25 m時掃描儀反射率為90%、10%，掃描儀誤差均為2 mm?！傍B巢”周圍結構地形較為復雜，對于三維激光掃描測站的要求較高。測站越多易造成較大誤差，在掃描儀架設過程中，需確保前后兩個測站間至少存在3個可通視的高差靶球，其半徑應控制在0.072 5 m。借助FARO SCENE軟件針對點云中心靶球進行提取并拼接，經降噪、剪裁等處理后，構建三維模型如圖2所示。由圖2可知，由于“鳥巢”本身構造較為獨特，經三維激光掃描“鳥巢”構建的云點圖存在一定的缺失現象，如頂部、底部、中層均出現了大片結構缺失。由此可見，三維激光掃描“鳥巢”構建的云點圖存在一定缺陷。

本文選用DJI Matrice 600 Pro無人機開展無人機傾斜攝影，由無人機搭載五個傾斜攝影相機，傳感器型號為SONY DSC-QX100，尺寸為13.2 m，焦距為10.4 mm，像素為2 020萬，分辨率為5 472×3 648，每3 s拍攝一次，攝影時間為25 min。針對“鳥巢”周圍2.5 hm2范圍實施無人機傾斜攝影，將航高設定為90 m，航向、旁向重疊度設定為90%與80%，最終獲取不少于1 200張影片。隨后借助Smart3D Capture軟件進行建模，最終得到“鳥巢”云點圖，如圖3所示。

3.3? 兩種點云數據融合

由圖1可知，俯視角度，在三維激光掃描過程中“鳥巢”建筑外層玻璃發生則折射最終會影響建模表面精度，為此在兩種點云數據融合過程中需要將此類精度低的部分予以剔除。由圖2可知，顯而易見無人機傾斜攝影可較為完整的保留“鳥巢”頂部信息，但在圖像中卻缺失了“鳥巢”表面弧度，且由于“鳥巢”建筑并不規范，促使無人機傾斜攝影云點圖接近地面的部分存在數據空洞、變形嚴重等問題，為此需要將此類缺陷部分予以剔除。

將兩種云點圖缺陷部分剔除后，對兩種點云數據加以融合，選取“鳥巢”特征較為明顯的點位，提取兩種點云數據的公共特征點位，借助平移、旋轉等處理手段，將點云模型加以匹配最終得出完整的點云數據圖，如圖4所示。

圖4中黑色點位為三維激光掃描點云數據的公共特征點位，灰色點位為無人機傾斜攝影點云數據的公共特征點位。待兩種點云數據融合后，同樣需要關注空洞、變形等問題，對于未融合到位部分進行剔除、剪裁，在確保三維建模精度的前提下，得出最終融合云點圖，如圖5所示。

3.4? 精度分析

為進一步驗證本文所提出的兩種技術融合應用在異形建筑三維建模中的優越性及可行性，本文從點云建模精度方面展開分析，具體如下：

三維模型最終精度同光照、建筑物材質等密切相關。其中，三維激光掃描得出的點云模型會受到儀器本身精度、參考標靶、數據拼接等技術影響。無人機傾斜攝影得出的點云模型會受到無人機攝影高度、鏡頭分辨率、航線規劃等影響。此外，人為因素同樣會影響兩種技術生成點云模型的精度。

為驗證兩種建模技術及兩種技術融合建模的最終精度，在精度分析中本文將公共特征點距離作為主要指標，分別測量并計算兩種點云數據公共特征點距離并進行對比，得到結果如表1所示。

由表1可知，兩種點云數據公共特征點距離誤差處于0.01～0.03 m，本文對公共特征點進行解算并展開匹配，發現平均誤差為0.01 m。充分考慮測量目標“鳥巢”建筑的特殊性，此次測量精度良好，兩種點云數據公共特征點距離誤差可滿足異形建筑三維建模的精度要求。若想要達到更高的三維建模精度，需要持續改善兩種技術的點云數據采集精度，將兩種技術融合應用在“鳥巢”三維建模中，計算融合后的點云數據公共特征點距離，并將其同實際公共特征點距離進行比較，并計算誤差值。如表2所示。

由表2可知，融合后點云數據公共特征點距離誤差在0.010～0.015 m之間，平均精度誤差在0.015 m內，與兩種點云數據公共特征點距離誤差相比，融合后得出的云數據公共特征點距離誤差更低，精度更高。由此可見，將三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術融合應用在異形建筑三維建模中可有效提升點云數據精度，此種精度可滿足大多數建筑物的三維建模精度需求。

3.5? 視覺效果分析

在確保三維建模精度的前提下，視覺效果在異形建筑三維建模過程中應得到充分重視。

3.5.1? 三維激光掃描視覺效果

三維激光掃描儀獲得的點云數據靈活、實時性好、精確到毫米量級、自動化水平相當高，不會出現地表變形、空洞等現象，點云分布比較均勻，視覺效果較好。但是也存在著一些缺陷，例如：不能對高樓頂端進行掃描，造成點云模型缺少高樓頂端的位置信息以及數據冗余[6]。在“鳥巢”三維建模中，受到“鳥巢”建材特定的影響，在三維激光掃描過程中獲得了大量冗余數據，不僅會影響點云數據精度，同時會降低三維建模視覺效果。

3.5.2? 無人機傾斜攝影視覺效果

無人機傾斜攝影測量具有多角度、大尺度、高清晰度、低成本等優點，可快速、便捷地獲取地表正片圖像和地表表面紋理信息。在此基礎上，利用高效的數據處理系統，可以迅速地實現城市的三維重建。但是，該技術也存在著一定的缺陷，例如：對于結構復雜、玻璃材質等比較特殊的建筑，無人機的傾斜攝影測量效果仍然不理想；在建筑曲線較大的地方，很容易出現空洞、變形等問題；同時，由于被測對象周邊建筑的影響，拍攝角度可能會出現遮擋等問題。所以，在測量對象周圍開闊，沒有明顯遮擋，測量范圍大的情況下，采用無人駕駛飛機傾斜照相測量方法對其進行三維建模是非常合適的，但如果對象是結構復雜、材料特殊的異形建筑物，這種方法就有一定的限制，如圖6所示。

3.5.3? 融合應用視覺效果

基于上述分析，發現單純應用三維激光掃描、無人機傾斜攝影技術的視覺效果均存在一定局限。本文將二者融合應用在異形建筑三維建模中，將兩種技術建模優勢相結合，可呈現良好的三維建模視覺效果。

4? 結? 論

綜上所述，本文將“鳥巢”作為典型的異形建筑案例，發現無論是三維激光掃描技術還是無人機傾斜攝影技術在異形建筑三維建模方面存在一定缺陷。為彌補此類缺陷，本文將三維激光掃描技術與無人機傾斜攝影技術相融合，經精度對比分析發現將三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術融合應用在異形建筑三維建模中可有效提升點云數據精度，經視覺效果分析發現，二者相融合的三維建模視覺效果明顯優于單純應用單一技術建模的視覺效果。由此可見，可將三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術融合應用在異形建筑三維建模中。

參考文獻：

[1] 經皓然，徐敬海.異形建筑的無人機點云與地面三維激光掃描點云配準 [J].測繪通報，2022（6）：32-39.

[2] 裴建隆.基于三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術對異形建筑三維建模的融合應用[J].江西科學，2021，39（6）：1060-1064.

[3] 宋洪英，曹坤，閆曉楠.基于三維激光掃描的高層建筑建模研究 [J].粘接，2021，47（8）：123-126.

[4] 田澤海，楊友生，宋康明.三維激光掃描技術在異形建筑規劃條件核實測量中的應用[J].地理空間信息，2021，19（5）：81-84+5.

[5] 李曉華，張茹.激光掃描技術在中國古代建筑精細測繪中的應用——以西安鐘樓三維建模及精細測繪項目為例 [J].北京測繪，2021，35（5）：678-683.

[6] 佘智淵.基于三維激光掃描的校園建筑三維建模 [J].甘肅科技，2020，36（16）：114-118.

作者簡介：張津瑞（1994—），男，漢族，甘肅白銀人，助理工程師，本科，主要研究方向：測繪、地理信息等。

收稿日期：2023-04-08